[pt] Um novo conceito de manipulador esta sendo estudado com o intuito de realizar tarefas inviáveis para manipuladores tradicionais. Este modelo de manipulador se baseia em manipuladores contínuos. Eles apresentam uma estrutura similar a uma coluna vertebral, são altamente modulares, leves, podem ser atuados remotamente e possuem alto índice de adaptabilidade com o ambiente. Este tipo de manipulador apresenta características interessantes para utilização em diversos tipos de tarefas, principalmente em inspeções em locais com muitos obstáculos e ambientes inóspitos para os seres humanos. Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um protótipo de manipulador contínuo atuado remotamente por tendões. Ele possui estrutura modular formado por vértebras ligadas serialmente. Inicialmente projetado através de ferramentas computacionais para em seguida ser construído fisicamente. São apresentados estudos cinemáticos e simulações com comparações entre a parte teórica e experimental. Por fim, é desenvolvida uma situação para simular a atuação do manipulador em uma tarefa real. / [en] A new concept of robotic manipulator is studied to perform tasks not viable for traditional manipulators. This new model is based on a continuum manipulator. It has a structure similar to a backbone, it is highly modular, lightweight, it can be remotely actuated, and it has a high level of adaptability to the environment. This type of manipulator has interesting features for uses in various types of tasks, especially in inspections in places with many obstacles and inhospitable to humans. This thesis presents the development of a remote tendon drive robotic continuum manipulator prototype. It has a modular structure composed of serially connected vertebrae. It is initially designed by computational tools, and then physically built. Kinematic studies and simulations are presented with comparisons between theoretical and experimental results. Finally, a situation is presented to simulate the performance of the manipulator in a real task.

[pt] Visão Computacional pode ser utilizada para calibrar e auto-localizar robôs. Existem diversas aplicações de auto-localização e controle aplicadas a manipuladores industriais e robôs móveis. Em particular, o controle visual pode ser útil em intervenções submarinas, nas quais um manipulador robótico é acoplado a um ROV (Veículo de Operação Remota) para execução de tarefas em grandes profundidades, como o manuseio de válvulas de equipamentos como manifolds. Este trabalho tem como objetivo desenvolver e implementar técnicas de controle visual para auto-localização e posicionamento de manipuladores robóticos. Assume-se que o manipulador possui uma câmera presa em sua extremidade (configuração eye-in-hand). Duas técnicas de controle visual são estudadas: look-and-move e servo-visual, que diferem entre si pela realimentação do controle. A primeira utiliza sensores de posição, a partir de uma única imagem capturada no início da movimentação. A segunda utiliza diversas imagens capturadas durante o processo. A principal contribuição deste trabalho está no uso da transformada SIFT, robusta a rotações, translações, mudança de escala e iluminação, para obter e correlacionar pontos-chave entre as imagens de referência e capturadas em tempo real. A metodologia é validada experimentalmente através de um manipulador robótico baseado na estrutura mecânica de uma mesa x-y-0. Um sistema eletrônico é utilizado como interface entre o robô e o software de controle, onde estão implementadas todas as técnicas propostas. Testes iniciais são realizados com imagens de objetos circulares, sem o uso de transformações como o SIFT. Em seguida, são feitos testes com a imagem de um painel real de um manifold, utilizando transformadas SIFT para determinar a localização do manipulador em relação ao painel e controlá-lo até uma pose desejada. Os resultados mostram que o desempenho do controle servo-visual depende muito do tempo de processamento de cada imagem, ao contrário do look-and-move. No entanto, o controle servo-visual apresenta erros finais de posicionamento muito menores. O método SIFT é apropriado para uso em ambos os controles, desde que a resolução das imagens seja alta o suficiente para evitar correlações falsas. / [en] Computer vision can be used to calibrate and self-localize robots. There are many applications in self-localization and control applied to industrial manipulators and mobile robots. In particular, visual control can be useful in submarine interventions, where a robotic manipulator is mounted on a Remote Operated Vehicle (ROV) to execute tasks at high depths, such as handling manifold valves. This work has the objective to develop and implement visual control techniques to self-localize and position robotic manipulators. It is assumed that a monocular camera is attached to the robot end-effector (eye-in-hand configuration). Two visual control techniques are studied: look-and-move and visual servo control. Their main difference is related to the adopted feedback sensors. The first technique uses position sensors with the aid of a single image captured at the beginning of the robot movement. The second technique relies on several images captured in real time during the robot movement. The main contribution of this work is the use of the SIFT transform, robust to rotation, translation, changes in scale and illumination, to obtain and correlate key-points between reference images and images captured in real time. The methodology is experimentally validated using a manipulator based on the mechanical structure of an x-y-0 coordinate table. An electronic system was developed to control the robot through a software in a computer, where were implemented all the techniques proposed. Preliminary tests are performed on simple circular-shaped objects, without the need for SIFT transforms. Next, tests are performed with a photo of an actual manifold panel typically used in submarine interventions, using SIFT transform to find the localization of the manipulator with respect to the panel. The results show that the performance of the visual servo control depends on the image processing time, unlike the look-and-move. However, the visual-servo control presents smaller positioning errors. The SIFT method is appropriate for both controls, since image resolution be high enough to avoid false matching.

[pt] Esse trabalho apresenta o desenvolvimento de uma interface cérebro-máquina (Brain Machine Interface - BMI) como um meio alternativo de comunicação para uso na robótica. O trabalho engloba o projeto e construção de um eletroencefalógrafo (EEG), assim como o desenvolvimento de todos os algoritmos computacionais e demais técnicas necessárias para o reconhecimento de atividades mentais. A interface cérebro-máquina desenvolvida é utilizada para comandar os movimentos de um manipulador robótico MA2000, associando quatro atividades mentais distintas a quatro movimentos do manipulador. A interface baseia-se na análise de sinais eletroencefalográficos, extraindo desses, características que podem ser classificadas como uma atividade mental específica. Primeiramente os sinais EEG são pré-processados, filtrando-se os ruídos indesejados, utilizando filtros espaciais para o aumento da resolução espacial do escalpe, e extraindo-se características relevantes à classificação das atividades mentais. Em seguida, diferentes modelos de classificadores são propostos, avaliados e comparados. Por último, duas implementações dos classificadores são propostas para aumentar o índice de comandos corretos para o manipulador. Em uma das implementações, obtiveram-se taxas de acerto de até 91% dos comandos, enquanto a taxa de comandos incorretos chegou ao mínimo de 1.25% após 400 tentativas de controle do manipulador. / [en] This work presents the development of a brain machine interface as an alternative communication channel to be used in Robotics. It encompasses the implementation of an electroencephalograph (EEG), as well as the development of all computational methods and necessary techniques to identify mental activities. The developed brain machine interface (BMI) is applied to activate the movements of a MA2000 robotic arm, associating four different mental activities to robotic arm commands. The interface is based on EEG signal analyses, which extract features that can be classified as specific mental activities. First, a signal preprocessing is performed from the EEG data, filtering noise, using a spatial filter to increase the scalp signal resolution, and extracting relevant features. Then, different classifier models are proposed, evaluated and compared. Finally, two implementations of the developed classifiers are proposed to improve the rate of successful commands to the robotic arm. In one of the implementations, a rate of successful commands up to 91% was obtained, with wrong commands as low as 1.25%, after 400 attempts to control the robotic arm.

[pt] Recentemente, grande interesse tem se voltado na robótica para o conceito de manipuladores flexíveis. Estes dispositivos apresentam uma coluna vertebral deformável continuamente, em oposição aos tradicionais manipuladores robóticos elo/junta/elo com elos rígidos. Sistemas flexíveis oferecem um aumento em potencial da capacidade de interação com o ambiente, estando aptos a se ajustarem às limitações do meio através de sua deformação. Robôs flexíveis oferecem possibilidades atrativas para o uso em diversas aplicações, como em posicionamento em ambientes complexos com obstáculos, endoscópios ativos, e manuseamento de materiais frágeis. O uso de polímeros, em particular elastômeros, tem sido explorado nestes manipuladores para promover simplicidade de operação e menor rigidez, necessária para uma interação homemmáquina com maior segurança. Usufruindo-se destes conceitos, esta dissertação aborda o desenvolvimento de um manipulador pneumático flexível de longo alcance. O manipulador é composto por uma estrutura modular, formada por vários elos ligados serialmente, permitindo que em sua extremidade sejam acopladas ferramentas que auxiliem a execução de diferentes tarefas. O sistema é baseado em um atuador pneumático denominado Músculo Artificial Pneumático (Pneumatic Artificial Muscles, PAM). Ao serem pressurizados, estes dispositivos se contraem, exercendo uma força em sua extremidade proporcional à pressão aplicada. A movimentação do manipulador desenvolvido é obtida a partir da diferença de pressão entre câmaras independentes localizadas em seu interior. Modelos analíticos dos sistemas desenvolvidos foram elaborados. O controle do manipulador é feito a partir de servoválvulas pneumáticas controladas por computador. Experimentos foram realizados para verificar os modelos desenvolvidos. O sistema desenvolvido pode ser aplicado à tarefa de inspeção interna de reservatórios de combustíveis. Inspeções internas atualmente requerem um completo esvaziamento do reservatório, se tornando muito trabalhosas e resultando em altos custos. Uma versão do manipulador é adaptada para executar esta tarefa sem a necessidade de esvaziar os tanques, devido à segurança intrínseca do sistema pneumático. / [en] Recently, the concept of flexible manipulators has attract great interest. These devices present a continuously deforming vertebral column, in opposition to the traditional robotic manipulators link/joint/link with rigid links. Flexible systems offer a potential increase in the capacity of interaction with the environment, being apt to adjust itself to the constrants through its deformation. Flexible robots offer attractive possibilities for usage in many applications, as complex environments positioning with active obstacles, endoscopies, and manipulating fragile materials. Polymers, specially elastomers, have been explored in these manipulators to guarantee simple operation and minor rigidity, necessary for a higher security man-machine interaction. Making a good use of these conceptions, this dissertation presents the development of a long-reach flexible pneumatic manipulator. The manipulator is composed of a modular structure, formed by links attached serially, allowing tools to be connected in its end-point for assistence in different tasks. The system is based on a pneumatic actuator called Pneumatic Artificial Muscle (PAM). When pressurized, these devices contract themselves, exerting a proportional force in its end-points proportional to the applied pressure. The manipulator´s motion is obtained from the pressure difference between the independent chambers located in its interior. Developed systems analytical models have been elaborated. Pneumatic valves, commanded by computer, control the manipulator. Experiments have been carried through to test the developed models. The developed system can be applied to internal inspection of fuel tanks. Internal inspections currently require a complete tank ullage, becoming very laborious and resulting in high costs. A manipulator´s version is adapted to execute this task in a full fueled tank, due to intrinsic security of the pneumatic system.

[pt] Questões de segurança têm sido fatores cruciais para que robôs se tornem aptos a trabalhar em colaboração com seres humanos. Esse esforço envolve um controle de força mais refinado e uma certa flexibilidade nas juntas para que a adaptação dos robôs ao ambiente real e às atividades comuns dos seres humanos seja efetiva. Uma das tecnologias com esse objetivo é o Atuador Elástico em Série (SEA - Series Elastic Actuator), que apresenta um bom desempenho para controle de força, tolerância a impactos causados por agentes externos, baixa impedância, e a redução de vibrações mecânicas. Em um SEA, um elemento elástico passivo é adicionado entre o motor e o elo acionado, a fim de gerar flexibilidade. Este elemento pode ser uma mola, ou outro elemento deformável com flexibilidade caracterizada por sua geometria e pela elasticidade do material utilizado. Esta tese propõe um Atuador Elástico em Série Baseado em Elastômero (eSEA), cuja flexibilidade é obtida a partir de um elastômero depositado entre dois elementos metálicos: um interno acoplado ao atuador, e o outro externo acoplado ao elo. O eSEA foi projetado e avaliado por software de CAD e Elementos Finitos, com o intuito de obter a flexibilidade desejada para a aplicação. Foram produzidas duas versões do eSEA, com duas durezas diferentes: 10 e 55 Shore A. Testes estáticos com células de carga foram executados para caracterizar a rigidez dos eSEA. Os eSEA foram instalados em manipuladores robóticos especialmente desenvolvidos para essa tese. Experimentos compararam o desempenho das técnicas de controle com e sem a influência dos eSEA, mostrando que o uso dos eSEA diminuiu os erros de posicionamento do manipulador e possibilitou o controle de força sem a necessidade de sensores específicos. A fim de criar um modelo para que a estimativa do torque seja mais precisa a partir do eSEA, foram realizadas técnicas de identificação para estimar uma função de transferência que melhor representa o alongamento da borracha. E combinados com modelos NARX e NARMAX do erro de estimativa, gerou-se um modelo híbrido para o elemento elástico no qual soma-se a função de transferência com o erro modelado. / [en] Safety issues have been crucial factors for robots to become able to work in collaboration with humans. This effort involves more refined force control and a certain flexibility at the joints, for the robots to better adapt to real environments and common human tasks. A technology with this objective is the Series Elastic Actuator (SEA), which presents good performance for force control, tolerance to impacts caused by external agents, low impedance, and dampening of mechanical vibrations. In an SEA, a passive elastic element is added between the motor and the driven link, in order to generate a desired flexibility. This element can be a spring, or else another deformable element with flexibility characterized by its geometry and material elasticity. This thesis proposes an Elastomer-Based Series Elastic Actuator (eSEA), whose flexibility is obtained from an elastomer deposited between two metallic elements: an internal element attached to the actuator, and an external element attached to the link. The eSEA was designed and evaluated by CAD and Finite Element software, in order to obtain the desired flexibility for the application. Two versions of the eSEA were produced, with two different hardnesses: 10 and 55 Shore A. Static tests with load cells were then executed to characterize the stiffness of the eSEA. The eSEA elements were installed on robotic manipulators especially developed for this thesis. Experiments compared the performance of control techniques with and without the influence of eSEA, showing that the use of the eSEA reduced manipulator positioning errors and enabled force control without the need for specific sensors. In order to create a model for more accurate torque estimation from eSEA, identification techniques were performed to estimate a transfer function that best represents the rubber elongation. And combined with NARX and NARMAX models of the estimation error, a hybrid model was generated for the elastic element in which the transfer function is added together with the modeled error.

[pt] O uso de juntas cardânicas ativas é restrito pela capacidade de torque de pequenos motorredutores e, atualmente, os dispositivos embarcados são obrigatórios para as aplicações robóticas. O controle dinâmico é essencial para estudar as limitações desse dispositivo, portanto, o objetivo deste estudo foi controlar a junta cardânica ativa de três graus de liberdade usando simulações numéricas e experimento em bancada de testes. O manipulador foi projetado com apenas uma junta cardânica para que a sua cinemática e dinâmica sejam exploradas; por esse motivo, a junta foi construída com sensores de carga na base e sensor de unidade de movimento inercial na parte superior do efetuador do manipulador. Além disso, foram fabricadas três placas de controle: a primeira foi projetada para controlar os três acionamentos dos motores de passo; a segunda, para ler o sensor da unidade de movimento inercial; e a última, para ler os sensores de carga. Quatro problemas foram descritos para testar os limites deste dispositivo, analisando, além da cinemática e dinâmica, o atrito do rolamento, a identificação da folga e o torque do impacto. O primeiro problema mantém a posição do efetuador do manipulador constante enquanto transmite rotação entre os eixos. O segundo problema, o efetuador recebe um caminho planejado, por exemplo, um círculo, mas não transmite rotação entre os eixos. O terceiro problema é a combinação dos movimentos anteriores, em que o efetuador transmite rotação entre os eixos, enquanto segue por um caminho planejado. Para o quarto problema: uma nova abordagem é aplicada para mover o efetuador de um ponto para outro usando rotação cônica. / [en] The use of active cardan joints is restricted by torque capacity of small motors, and currently embedded devices have been mandatory for robotic applications. The dynamic control is essential to learn the limitations of this device, thus the objective of this study is to control active cardan joints of three degrees of freedom using numerical simulations and bench experiment. The manipulator was designed with only one cardan joint to understand its kinematics and dynamics and, for this reason, it was built with load sensors on its base and inertial motion unit sensor at the top of the manipulator end-effector. Furthermore, three control boards were manufactured: the first was designed to control the three stepper motor drives, the second was designed to read the inertial motion unit sensor, and the last was designed to read the load sensors. Four problems were described to test the limits of this device, analysing not only the kinematics and dynamics, but also the bearing friction, the backlash identification, and the impact torque. The first problem keeps the position of the manipulator end-effector constant transmitting rotation between the shafts. The second problem is given a planned path to the manipulator endeffector, such as a circle, but it does not transmit rotation between the shafts. The third problem is the combination of the previous motions, where the manipulator end-effector applies the output spin, while it follows by a planned path. The fourth problem, a new approach is applied to move the manipulator end-effector from one point to another point using a conical rotation.